本發(fā)明涉及增材制造，尤其涉及一種植入輔助三維成形方法。

背景技術(shù)：

1、激光粉末床熔合（laser?powder?bed?fusion?-?lpbf）是增材制造領(lǐng)域重要方法之一，基于在粉末床表面鋪設(shè)粉末薄層，以高功率激光束掃描照射粉末薄層選定區(qū)域，使之熔合、沉積在基板上，進(jìn)而通過基板逐層下降，與鋪粉、掃描照射步驟的循環(huán)執(zhí)行，使沉積物在基板上逐層生長(zhǎng)直至完全成形?，F(xiàn)有電磁驅(qū)動(dòng)光學(xué)執(zhí)行器對(duì)激光束的微米級(jí)控制精度，以及低慣量、高速響應(yīng)優(yōu)勢(shì)，使得lpbf三維成形裝備在精密機(jī)械部件，尤其是具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)、三維功能表面的高性能制品加工領(lǐng)域，已呈現(xiàn)出不可替代的優(yōu)勢(shì)作用。

2、另一方面，lpbf三維成形裝備在粉末床部署粉末薄層的方式即鋪粉步驟，是基于在重力場(chǎng)環(huán)境下水平推刮高流動(dòng)性粉末材料實(shí)現(xiàn)的，這使得激光束掃描照射粉末薄層、生成實(shí)體沉積層的過程，依賴于下方已成形實(shí)體的支撐、散熱與固定作用，即激光束掃描照射區(qū)域須在已有實(shí)體正上方或側(cè)上方鄰近區(qū)，否則粉末熔合、冷卻固化時(shí)會(huì)因缺少支撐、散熱及固定作用，而發(fā)生塌陷、曲翹、斷裂等缺陷，并在后續(xù)鋪粉時(shí)導(dǎo)致鋪粉機(jī)構(gòu)碰撞損壞、成形物移位脫落等事故；這嚴(yán)重制約了lpbf三維成形裝備對(duì)懸垂、外傾結(jié)構(gòu)的成形能力，限制了lpbf的適用范圍。為此，已有l(wèi)pbf三維成形裝備普遍在三維部件懸垂與外傾部位下方，增加支撐輔助結(jié)構(gòu)，并在逐層成形三維部件本體時(shí)同步成形支撐輔助結(jié)構(gòu)，直至其抵達(dá)設(shè)計(jì)支撐高度，從而為后續(xù)懸垂、外傾部位的逐層熔合沉積提供重要的支撐、散熱與固定作用。

3、lpbf三維成形裝備成形支撐輔助結(jié)構(gòu)的過程，與成形三維部件本體類似，亦需消耗相應(yīng)粉末材料、激光束能量以及掃描時(shí)間，且所需量與支撐輔助結(jié)構(gòu)的體積成正比。當(dāng)三維部件懸垂、外傾部位較多、位置較高時(shí)，還會(huì)發(fā)生支撐輔助結(jié)構(gòu)體積遠(yuǎn)大于三維部件本體的不合理現(xiàn)象，不僅嚴(yán)重降低lpbf三維成形裝備的粉末材料利用率、激光能效以及總體生產(chǎn)率，還會(huì)大幅延長(zhǎng)生產(chǎn)周期、增大過程風(fēng)險(xiǎn)；有公開報(bào)道通過激光能量精細(xì)控制以及掃描路徑優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)“無支撐”、“少支撐”lpbf三維成形的技術(shù)案例，但其僅用于部分緩解熔合沉積物塌陷、曲翹、斷裂問題，無法從根本上取代支撐輔助結(jié)構(gòu)對(duì)懸垂、外傾部位的支撐、散熱及固定作用。目前在增材制造技術(shù)領(lǐng)域，尚缺少一種能高質(zhì)量成形懸垂、外傾結(jié)構(gòu)，并有效減少支撐輔助結(jié)構(gòu)用量的lpbf三維成形方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺點(diǎn)，提供一種操作簡(jiǎn)便、成本低，通過少量定位輔助結(jié)構(gòu)并在成形中間階段向粉末床植入預(yù)成型元件，實(shí)現(xiàn)對(duì)懸垂、外傾部位的有效支撐，進(jìn)而避免以lpbf方式直接成形大量支撐輔助結(jié)構(gòu)，及其導(dǎo)致成形效率低、成本高等問題的植入輔助三維成形方法。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案：

3、一種植入輔助三維成形方法，包括以下步驟，

4、確定待成形部件數(shù)模在基板上的擺放姿態(tài)，根據(jù)外傾角條件篩選需支撐區(qū)域，并將其投影至基板與待成形部件數(shù)模本體，形成規(guī)劃空間；

5、在規(guī)劃空間中插入水平斷面，以上切斷空間與下越界空間的體積和最小化為約束，確定水平斷面高度作為植入層高度；

6、以水平斷面的截面為上表面，向下延伸設(shè)定厚度生成預(yù)成型元件數(shù)模，并在所述預(yù)成型元件數(shù)模中分散設(shè)置垂直定位孔群和通粉工藝孔群；

7、以垂直定位孔群為起點(diǎn)，在規(guī)劃空間內(nèi)垂直向下延伸至基板上表面，生成定位輔助結(jié)構(gòu)數(shù)模；

8、在上切斷空間和下越界空間中添加支撐結(jié)構(gòu)數(shù)模，移除預(yù)成型元件數(shù)模，并對(duì)待成形部件數(shù)模、定位輔助結(jié)構(gòu)數(shù)模以及支撐結(jié)構(gòu)數(shù)模的組合體，按鋪粉高度對(duì)應(yīng)的層厚切片得到整體三維數(shù)模切片數(shù)據(jù)；

9、逐層成形至植入層時(shí)，通過機(jī)械臂植入預(yù)成型元件至定位輔助結(jié)構(gòu)，填平粉末后繼續(xù)掃描成形部件本體。

10、優(yōu)選的，所述水平斷面將規(guī)劃空間分割為體積可計(jì)算的上切斷空間和下越界空間，通過優(yōu)化算法求解使兩空間體積和最小的斷面位置。

11、優(yōu)選的，所述規(guī)劃空間的下端同時(shí)接合基板與待成形部件數(shù)模時(shí)，定位輔助結(jié)構(gòu)數(shù)模的延伸終點(diǎn)為基板上表面和待成形部件數(shù)模的幾何交界面。

12、優(yōu)選的，所述機(jī)械臂在植入層操作時(shí)，包括機(jī)械臂清理植入層粉末以暴露定位輔助結(jié)構(gòu)、抓取預(yù)成型元件并裝配至定位輔助結(jié)構(gòu)、填平預(yù)成型元件周圍粉末以保持鋪粉平面平整的步驟。

13、優(yōu)選的，所述規(guī)劃空間包含多個(gè)獨(dú)立子空間，多個(gè)獨(dú)立規(guī)劃子空間內(nèi)分別生成預(yù)成型元件數(shù)模和定位輔助結(jié)構(gòu)數(shù)模，在逐層成形至各植入層時(shí)，機(jī)械臂依次完成對(duì)應(yīng)預(yù)成型元件的植入。

14、優(yōu)選的，所述通粉工藝孔群貫穿預(yù)成型元件數(shù)模，允許鋪粉過程中粉末通過以維持粉末床的流動(dòng)性和平整度。

15、優(yōu)選的，所述定位輔助結(jié)構(gòu)數(shù)模通過垂直拉伸工藝生成，其高度方向與預(yù)成型元件數(shù)模的垂直定位孔群嚴(yán)格對(duì)齊。

16、一種三維成形機(jī)床系統(tǒng)用于上述技術(shù)方案中的一種植入輔助三維成形方法，包括：

17、成形初始化：控制器控制機(jī)械臂移動(dòng)至鋪粉單元和激光掃描單元作動(dòng)區(qū)域外的待機(jī)工位，向供粉單元注入粉末，在元件托架上放置預(yù)成型元件，并關(guān)閉成型室；控制器啟動(dòng)氛圍單元調(diào)節(jié)成型室內(nèi)氣體至惰性狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)粉末床的基板和鋪粉單元返回零位，加載三維數(shù)模切片數(shù)據(jù)；

18、首層成形：控制器控制基板下降鋪粉高度，供粉單元輸出單次鋪粉用量的粉末至鋪粉單元，鋪粉單元推動(dòng)粉末填平基板下降產(chǎn)生的凹陷，并將多余粉末推入回粉單元；激光掃描單元掃描首層粉末生成片狀實(shí)體沉積物；

19、循環(huán)成形至植入層：重復(fù)執(zhí)行首層成形步驟，使沉積物在基板或已成形層上累積，直至達(dá)到植入層高度，植入層操作：控制器觸發(fā)機(jī)械臂清理植入層粉末以暴露定位輔助結(jié)構(gòu)的裝配部位，抓取預(yù)成型元件并裝配至定位輔助結(jié)構(gòu)上，填平預(yù)成型元件周圍粉末使粉末床表面平整；

20、繼續(xù)逐層成形：重復(fù)執(zhí)行首層成形步驟，使后續(xù)沉積物在已成形層及預(yù)成型元件上累積，直至完成待成形部件數(shù)模的全層掃描成形。

21、優(yōu)選的，所述預(yù)成型元件為平板多孔結(jié)構(gòu)且其垂直定位孔群和通粉工藝孔群為貫穿的圓柱形孔陣列，厚度與植入層高度匹配，其中所述預(yù)成型元件的材料成分與激光粉末床熔合所用粉末材料相同，所述垂直定位孔群用于與定位輔助結(jié)構(gòu)裝配。

22、?優(yōu)選的，所述預(yù)成型元件傾斜放置在元件托架上，可通過激光切割、電火花線切割或cnc切割加工制成。

23、有益效果

24、本發(fā)明的有益效果為：通過定位輔助結(jié)構(gòu)與預(yù)成型元件植入裝配方案替代傳統(tǒng)全支撐結(jié)構(gòu)，顯著降低支撐體積，減少激光掃描支撐區(qū)域的時(shí)間，具有激光掃描成形效率高、粉末利用率高，與支撐拆除總量少、表面損傷范圍小的優(yōu)勢(shì)，可大幅縮短復(fù)雜部件成形時(shí)間，適合在各種尺寸、材料類型的lpbf三維成形裝備中應(yīng)用。

25、本發(fā)明預(yù)成型元件設(shè)置垂直定位孔群和通粉工藝孔群，允許粉末在鋪粉過程中流動(dòng)填充預(yù)成型元件與粉末床之間的間隙，避免因粉末堆積不均導(dǎo)致熔融不充分，從而減少塌陷和孔隙率，垂直定位孔群與定位輔助結(jié)構(gòu)的對(duì)位裝配確保預(yù)成型元件與已成形結(jié)構(gòu)的位置精度，避免因錯(cuò)位導(dǎo)致熔合不良或應(yīng)力集中，從而抑制曲翹變形。